DE69428287T2 - METER - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Messen der Menge von in einer Flüssigkeit enthaltenen Feststoffen.The present invention relates to a measuring device for measuring the amount of solids contained in a liquid.
Bei vielen Prozessen gibt es eine Notwendigkeit, die Menge an in einer Flüssigkeit enthaltenen Feststoffen zu kennen. In einigen Fällen müssen sehr kleine Quantitäten an in einer Flüssigkeit enthaltenen Partikeln, d.h. Konzentrationen von einigen wenigen ppm, gemessen werden, wie z.B. in Wasserwerken, um die Trinkwasserreinheit zu steuern. In anderen Fällen muss die Konzentration von in Wasser suspendierten Fasern gemessen werden, das in Papierfabriken eingesetzt wird, um die verschiedenen Stadien während des Papierherstellungs-Prozesses zu steuern. In anderen Industrien, wie z.B. der Nahrungsmittelindustrie, gibt es ein, Interesse den Feuchtigkeitsgehalt von Nahrungsmittelprodukten zu messen.In many processes there is a need to know the amount of solids contained in a liquid. In some cases very small quantities of particles contained in a liquid, i.e. concentrations of a few ppm, must be measured, such as in waterworks to control drinking water purity. In other cases the concentration of fibers suspended in water used in paper mills must be measured to control the various stages during the papermaking process. In other industries, such as the food industry, there is an interest in measuring the moisture content of food products.
Es ist vorbekannt, photometrische Meßvorrichtungen durch Einsatz von pulsierendem Licht, zumeist infrarotes (IR) Licht, einzusetzen, um die Konzentration von Partikeln in Flüssigkeiten zu messen. Die Schwedischen Patente Nr. SE-B-382 166, SE-B-453 015 und das Europäische Patent Nr. EP-A-96 696 offenbaren zum Beispiel solche Vorrichtungen. Die Nachteile der früheren Vorrichtungen sind jedoch zahlreich.It is previously known to use photometric measuring devices using pulsed light, mostly infrared (IR) light, to measure the concentration of particles in liquids. Swedish Patent Nos. SE-B-382 166, SE-B-453 015 and European Patent No. EP-A-96 696, for example, disclose such devices. The disadvantages of the earlier devices, however, are numerous.
Wenn ein Lichtstrahl ein Material durchläuft, wird die optische Strahlung gemäß der folgenden Formel abgeschwächt:When a beam of light passes through a material, the optical radiation is attenuated according to the following formula:
P = P&sub0; e-u(λ)IP = P₀e-u(λ)I
wobei P&sub0; die anfängliche Leistung eines Strahls ist, P die entsprechende Leistung ist, wenn der Strahl eine Entfernung 1 zurückgelegt hat, oder, wenn für die Konzentrationsmessung eingesetzt, die Konzentration von Partikeln und u(λ) der Abschwächungskoeffizient ist. Der Abschwächungskoeffizient ist aus zwei Komponenten zusammengesetzt: der Absorptionskoeffizient λ und der Streukoeffizients, so dass u = λ + s. Von diesen zwei Komponenten ist λ sehr von der Wellenlänge abhängig. Somit ist die Wahl der Wellenlänge wichtig und daher wird infrarotes Licht gewählt, für das die Absorption gering ist.where P₀ is the initial power of a beam, P is the corresponding power when the beam has travelled a distance 1 or, when used for concentration measurement, the concentration of particles and u(λ) is the attenuation coefficient. The attenuation coefficient is composed of two components: the absorption coefficient λ and the scattering coefficient s, so that u = λ + s. Of these two components, λ is very dependent on the wavelength. Thus, the choice of wavelength is important and therefore infrared light is chosen for which the absorption is low.
Dies ist gemäß den bekannten Transmissionstechniken wichtig, da das durch eine Suspension übertragene Licht gemessen wird und die Differenzen von dem abgestrahlten und erfaßten Licht ein Maß für die Konzentration von Feststoffen in der Flüssigkeit ist. Zu viel Licht darf dann nicht absorbiert werden, das zu niedrigen Meßsignalen führt.This is important according to the known transmission techniques, since the light transmitted through a suspension is measured and the differences between the emitted and detected light are a measure of the concentration of solids in the liquid. Too much light must not be absorbed, which leads to low measurement signals.
Probleme mit der bekannten Technologie bleiben jedoch bestehen, da die erfaßte übertragene Energie exponentiell von der Konzentration gemäß der vorstehenden Formel abhängt, so dass die erfaßte Energie bei höheren Konzentrationen an Feststoffen erheblich verringert wird. Um vernünftige Meßwertsignale zu erzielen, ist es notwendig, hohe Energien einzusetzen und kurze Impulse in langen Intervallen zu übertragen, um die IR-Diode nicht zu überlasten.However, problems with the known technology remain, since the detected transmitted energy depends exponentially on the concentration according to the above formula, so that the detected energy is significantly reduced at higher concentrations of solids. In order to achieve reasonable measured value signals, it is necessary to use high energies and to transmit short pulses at long intervals in order not to overload the IR diode.
Die exponentielle Beziehung stellt ebenso weitere Probleme dar, wie zum Beispiel einen Bedarf an Nachbehandlung der erfaßten Signale, um Signale zu erzielen, die entsprechend einer linearen Beziehung variieren.The exponential relationship also presents other problems, such as a need for post-processing of the acquired signals to obtain signals that vary according to a linear relationship.
Die Transmissionstechnologie und die exponentiell abnehmenden Energiewerte, die in Beziehung zu der Konzentration von Feststoffen erfaßt werden, lassen darauf schießen, dass die Meßvorrichtung oft nicht direkt in dem Prozeß eingesetzt werden kann, da der Abstand zwischen Übertragevorrichtung / Erfassungsvorrichtung und/oder die Konzentration so groß sein würde, dass kein Licht übertragen werden könnte. Dies wird, wie im Schwedischen Patent Nr. 453,015 beschrieben, durch Umleiten eines Teils des Stroms und diesen durch ein Rohr mit einem definierten Durchmesser Zwingen und mit den einander gegenüberliegend angeordneten Übertragevorrichtung / Erfassungsvorrichtung gelöst, um eine "zweidimensionale Messung" bereitzustellen. Dies benötigt aufwendige Rohrleitungskonstruktionen, um einen Teil des zu messenden Stroms umzuleiten.The transmission technology and the exponentially decreasing energy values that are detected in relation to the concentration of solids suggest that the measuring device often cannot be used directly in the process, as the distance between the transmitter/detector and/or the concentration would be so large that no light could be transmitted. This is solved, as described in Swedish Patent No. 453,015, by diverting part of the flow and forcing it through a pipe with a defined diameter and with the transmitter/detector arranged opposite each other to provide a "two-dimensional measurement". This requires complex piping constructions to divert part of the flow to be measured.
Nachteile in der Stärke von Signalen, die nicht in Beziehung mit der Konzentration stehen, wie z.B. Reflexionsstörungen, Temperaturabhängigkeit der IR-Dioden bei dem Austausch von Licht; Ablagerungen auf den Sensoren und so weiter, d.h. Rauschen, sind schwierig mit der bekannten zweidimensionalen Transmissionstechnik zu kompensieren. Im Schwedischen Patent Nr. 453,015 wird eine Referenzvorrichtung offenbart, die aus einer Meßreferenzeinheit in wärmeleitendem Kontakt mit einem flüssigkeitszuführenden Rohr besteht, wobei die Einheit entworfen ist; um die Temperaturabhängigkeit der IR-Dioden und der verbleibenden Komponenten in dem System als auch einfallendes gestreutes Licht zu kompensieren. Diese Referenzeinheiten messen nicht durch die Flüssigkeit sondern entlang eines hindernisfreien Weges innerhalb der Umschließung der Vorrichtung.Disadvantages in the strength of signals that are not related to concentration, such as reflection disturbances, temperature dependence of the IR diodes in the exchange of light, deposits on the sensors and so on, ie noise, are difficult to compensate with the known two-dimensional transmission technique. In Swedish Patent No. 453,015 a reference device is disclosed which consists of a measuring reference unit in thermally conductive contact with a liquid supply tube, the unit being designed to compensate for the temperature dependence of the IR diodes and the remaining components in the system as well as incident scattered light. These reference units do not measure through the liquid but along an obstruction-free path within the enclosure of the device.
Patent Nr. EP-A-96 696 beschreibt eine Vorrichtung zur direkten Messung des Feuchtigkeitsgehalts in einem spezifischen Material, indem die Reflexion von IR-Strahlung von dem Material gemessen wird, anstatt Transmissionsmessung zu verwenden, um Reflexionen zu erfassen. Interferenzfilter werden vor den Sensoren angeordnet, um die relevanten zu analysierenden Wellenlängen abzutrennen und die von dem zu messenden Material abhängig sind. Ebenso ist in diesem Patent eine Einstellvorrichtung offenbart, um die Temperaturabhängigkeit der IR-Dioden zu kompensieren.Patent No. EP-A-96 696 describes a device for directly measuring the moisture content in a specific material by measuring the reflection of IR radiation from the material, instead of using transmission measurement to detect reflections. Interference filters are placed in front of the sensors to separate the relevant wavelengths to be analyzed and which depend on the material to be measured. Also disclosed in this patent is an adjustment device to compensate for the temperature dependence of the IR diodes.
WO-A-82/03688 offenbart eine bestimmte Wellenlängen-Licht-Reflexionsgrad-Meßvorrichtung zum Messen der Helligkeit von Papier-Pulpe, die erste und zweite Faser-Optik-Bündel; mehrere Lichtquellen und einen Lichtsensor einschließt.WO-A-82/03688 discloses a particular wavelength light reflectance measuring device for measuring the brightness of paper pulp, including first and second fiber optic bundles; a plurality of light sources and a light sensor.
WO-A-93/15389 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Refiner- Holzstoff-Eigenschaften, indem die Änderung in dem Abstrahlungsspektrum gemessen wird, das durch die Pulpe bei einer Mindestzahl von vier Wellenlängenbändern verursacht wird: Die offensichtlichen Nachteile der herkömmlichen Technologien führen zu Begrenzungen in dem Meßbereich, so dass Meßvorrichtungen vom Stand der Technik nur innerhalb eines relativ engen Meßbereiches messen, für den sie spezifisch entworfen sind. Trotz der Verfügbarkeit von hoch entwickelter Elektronik, stellt der Bedarf an besseren Lichtemittern und -Empfängern und Referenzvorrichtungen weiterhin ein grundlegendes Problem bei Einsatz der herkömmlichen Technologien dar.WO-A-93/15389 discloses a method and apparatus for determining refiner pulp properties by measuring the change in the radiation spectrum caused by the pulp at a minimum of four wavelength bands: The obvious disadvantages of the conventional technologies lead to limitations in the measuring range, so that prior art measuring devices only measure within a relatively narrow measuring range for which they are specifically designed. Despite the availability of sophisticated electronics, the need for better light emitters and receivers and reference devices continues to be a fundamental problem when using the conventional technologies.
Die vorliegende Erfindung zielt auf Einsatz der Vorteile von gepulstem Licht, wenn der Betrag an Festkörper-Konzentration in Flüssigkeiten gemessen wird, während die existierenden Nachteile vom Stand der Technik beseitigt werden.The present invention aims to utilize the advantages of pulsed light when measuring the amount of solid concentration in liquids while eliminating the existing disadvantages of the prior art.
Gemäß der Erfindung wird somit eine Vorrichtung bereitgestellt, um die Menge an Festkörpern, die in einer Flüssigkeit enthalten sind, mit Licht zu messen, das auch Infrarot und Ultraviolett einschließt, wobei die Vorrichtung mit mindestens zwei Paaren an Licht-Übertragevorrichtungen und mindestens einer Erfassungsvorrichtung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Paare an Licht-Übertragevorrichtungen in Kreuz angeordnet sind, so dass eine dreidimensionale Beleuchtung von Partikeln der Festkörper erhalten wird, und dass die Übertragevorrichtungen in den jeweiligen Paaren an Übertragevorrichtungen angeordnet sind, Impulses von kohärentem Licht in Paaren gleichzeitig zu übertragen, d.h. Lichtimpulse, die die gleiche Wellenlänge aufweisen, während die Wellenlängen der Paare an Übertragevorrichtungen voneinander verschieden sind.According to the invention, there is thus provided a device for measuring the amount of solids contained in a liquid with light, which also includes infrared and ultraviolet, the device being equipped with at least two pairs of light transmitting devices and at least one detection device, characterized in that the at least two pairs of light transmitting devices are arranged in a cross so as to obtain a three-dimensional illumination of particles of the solids, and in that the transmitting devices in the respective pairs of transmitting devices are arranged to transmit pulses of coherent light in pairs simultaneously, i.e. light pulses having the same wavelength, while the wavelengths of the pairs of transmitting devices are different from each other.
Wenn eine Bestrahlungsdichte, d.h. die Strahlung von einer Lichtquelle, die Infrarot und Ultraviolett einschließt, einen in einer Flüssigkeit enthalten Festkörper trifft, wird etwas Energie absorbiert. Der Betrag an absorbierter Energie wird durch den Absorptionskoeffizienten bestimmt und ist wie vorstehend beschrieben von der Wellenlänge abhängig. Diese Absorption liefert eine spektrale Verschiebung in Richtung zu längeren Wellenlängen auf der spektralen Skala, so dass die Wellenlängen mit höheren Frequenzen mehr auf der spektralen Skala verschoben werden als Wellenlängen mit niedrigeren Frequenzen. Die von einem Festkörper reflektierte Strahlungsdichte, die von der Erfassungsvorrichtung erfaßt wird, ist verglichen mit der einfallenden Strahlungsdichte spektral verschoben.When an irradiance, i.e. the radiation from a light source that includes infrared and ultraviolet, strikes a solid contained in a liquid, some energy is absorbed. The amount of energy absorbed is determined by the absorption coefficient and is dependent on wavelength as described above. This absorption provides a spectral shift toward longer wavelengths on the spectral scale, so that the wavelengths with higher frequencies are shifted more on the spectral scale than wavelengths with lower frequencies. The radiance reflected from a solid that is detected by the detector is spectrally shifted compared to the incident radiance.
Wenn zwei oder mehr Lichtimpulse mit unterschiedlichen selektiven Wellenlängen ausgestrahlt werden, werden spektrale Verschiebungen erzielt und der Unterschied zwischen diesen liefert sogenannte spektrale Kontraste. Die proportionale Änderung, die durch die spektrale Verschiebung verursacht wird, kann eingesetzt werden, um einen Meßwert der Konzentration zu erhalten. Der Verschiebungsbetrag ist für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich und der Kontrast ist eine direkte Funktion der Masse. Wenn die Masse verändert wird, wird sich der Kontrast im direkten Verhältnis zu der Massenänderung ändern.When two or more pulses of light are emitted at different selective wavelengths, spectral shifts are achieved and the difference between these provides what is called spectral contrast. The proportional change caused by the spectral shift can be used to obtain a measure of concentration. The amount of shift is different for different wavelengths and the contrast is a direct function of mass. If the mass is changed, the contrast will change in direct proportion to the change in mass.
Ein Meßfühler ist beispielsweise mit vier Übertragevorrichtungen, einer an jedem Arm eines Kreuzes, versehen. Die Übertragevorrichtungen sind in dem gleichen Abstand von der Mitte des Kreuzes und vorzugsweise mit der gleichen Neigung angeordnet. Gegenüberliegend angeordnete Übertragevorrichtungen sind miteinander verbunden, so dass sie gleichzeitig einen Lichtpuls in der Form einer Strahlungskeule übertragen, der eine spezifische Wellenlänge für jedes der Paare an Übertragevorrichtungen (in dieser Offenbarung bezeichnet mit λx bzw. λy) aufweist, wobei eine der Wellenlängen als eine Referenz eingesetzt wird. Die Partikel werden auf diese Art mit zwei Wellenlängen und mit einem gewissen Rotationswinkel in Bezug zueinander beleuchtet. Nachfolgende Impulse werden von den zwei Paaren in sehr kurzen Zeitintervallen ausgestrahlt. Eine "dreidimensionale" Beleuchtung der Partikel wird durch dieses Kreuz erreicht (hier bezeichnet mit »Kreuz). Der Fühler kann jedoch mit mehreren Paaren an gegenüberliegend angeordneten Übertragevorrichtungen versehen werden, die auf verschiedenen Wellenlängen übertragen, um mehr Informationen über das zu messende Medium zu erhalten, wie z.B. die Menge an Partikeln unterhalb einer gewissen Größe usw. Eine der eingesetzten Wellenlängen bildet wie vorstehend beschrieben eine Referenz. Die Konfiguration des Kreuzes wird jedoch beibehalten, so dass die Übertragevorrichtungen auf zusätzlichen Armen des Kreuzes mit dem gleichen Abstand von der Mitte des Kreuzes und vorzugsweise unter dem gleichen Winkel angeordnet werden.For example, a sensor is provided with four transmission devices, one on each arm of a cross. The transmission devices are at the same distance from the center of the Cross and preferably with the same inclination. Oppositely arranged transmitters are connected to each other so that they simultaneously transmit a light pulse in the form of a beam of radiation having a specific wavelength for each of the pairs of transmitters (in this disclosure referred to as λx and λy respectively), one of the wavelengths being used as a reference. The particles are thus illuminated with two wavelengths and with a certain angle of rotation with respect to each other. Subsequent pulses are emitted by the two pairs at very short time intervals. A "three-dimensional" illumination of the particles is achieved by this cross (here referred to as "cross"). However, the sensor can be provided with several pairs of oppositely arranged transmitters transmitting at different wavelengths in order to obtain more information about the medium to be measured, such as the amount of particles below a certain size, etc. One of the wavelengths used forms a reference as described above. However, the configuration of the cross is maintained so that the transmission devices are arranged on additional arms of the cross at the same distance from the center of the cross and preferably at the same angle.
Eine Erfassungsvorrichtung ist vorzugsweise in der Mitte des Kreuzes angeordnet, um das von den Partikeln bei zwei oder mehr Wellenlängen reflektierte Licht zu erfassen.A detection device is preferably arranged in the center of the cross to detect the light reflected from the particles at two or more wavelengths.
Der hiermit aufgrund der spektralen Differenz zwischen den typischen gewählten Wellenlängen erzeugte Kontrast bildet ein Ausgangssignal, das eine Funktion von Bestrahlung und des Impulsverhältnisses (des Kontrasts) λx - λy (oder Übertragevorrichtungs-Wert minus Referenz- Wert) ist. Der Meßwert ist die Summe / das Integral des durch die Erfassungsvorrichtung erfaßten Gesamtkontrasts. Dieser Meßwert enthält die spektrale Differenz der zwei Wellenlängen, die irrelevante Signale, d.h. Rauschen, einschließen.The contrast thus generated due to the spectral difference between the typical wavelengths selected forms an output signal which is a function of irradiance and the pulse ratio (contrast) λx - λy (or transmitter value minus reference value). The measured value is the sum/integral of the total contrast detected by the detector. This measured value contains the spectral difference of the two wavelengths which includes irrelevant signals, i.e. noise.
Da jedoch das Rauschen mit den zwei Impulsantworten verbunden ist und unabhängig von den Wellenlängen ist, d.h. das Rauschen ist das Gleiche für die zwei Impulsantworten, kann dieses Rauschen einfach durch die Mittel eines Differentiators entfernt werden und der verbleibende Teil ist der spektrale Kontrast, der eine direkte Funktion der Masse ist. Die Meßvorrichtung benötigt daher keine zusätzliche Referenz oder Kompensationsvorrichtungen. Das Erfassungsvorrichtungs-Signal ist zudem nach Filtern linear.However, since the noise is associated with the two impulse responses and is independent of the wavelengths, i.e. the noise is the same for the two impulse responses, this noise can be easily removed by the means of a differentiator and the remaining part is the spectral contrast which is a direct function of the mass. The measuring device therefore does not require any additional reference or compensation devices. The detector signal is also linear after filtering.
Ein wichtiger Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass das durch die Erfassungsvorrichtung erfaßte Ausgangssignal bereits an dem Meßpunkt digitalisiert wird, das zu technischen Vorteilen aus Sicht der Messung führt.An important advantage of the proposed method is that the output signal detected by the detection device is already digitized at the measuring point, which leads to technical advantages from the measurement point of view.
Dieses Meßverfahren liefert viel verläßlichere Messungen, da alle irrelevante Signale und Störungen durch Filtern einfach aussortiert werden können, aber insbesondere kann der Meßbereich wesentlich erweitert werden und ist prinzipiell nur dadurch begrenzt, ob der Meßfühler in das zu messende Medium eingebracht werden kann.This measuring method provides much more reliable measurements, since all irrelevant signals and interference can be easily filtered out, but in particular the measuring range can be significantly extended and is in principle only limited by whether the measuring sensor can be inserted into the medium to be measured.
Die Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend und in Kombination mit einer bevorzugten in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Ausführungsform ausführlich beschrieben, wobei.The measuring device according to the present invention is described in detail below and in combination with a preferred embodiment shown in the accompanying drawings, wherein.
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Fühlers gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;Fig. 1 is a perspective view of a sensor according to the preferred embodiment of the present invention;
Fig. 2 das sogenannte Kreuz mit zwei Paaren an Sensoren und die sogenannten durch die Lichtimpulse von den Übertragevorrichtungen erzeugten Strahlungskeulen zeigt;Fig. 2 shows the so-called cross with two pairs of sensors and the so-called radiation lobes generated by the light pulses from the transmitters;
Fig. 3 das System der Meßvorrichtung und den Impulsgenerator und den durch den Impulsgenerator synchronisierten Dekoder / Differentiator zeigt;Fig. 3 shows the system of the measuring device and the pulse generator and the decoder/differentiator synchronized by the pulse generator;
Fig. 4 den Ursprung des spektralen Kontrasts während der Übertragung zweier unterschiedlicher Wellenlängen zeigt;Fig. 4 shows the origin of the spectral contrast during the transmission of two different wavelengths;
Fig. 5 die Zeitbeziehung zwischen den Impulsen und den Antworten auf die übertragenen Impulse zeigt.Fig. 5 shows the time relationship between the pulses and the responses to the transmitted pulses.
Eine Meßvorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 1 gezeigt, schließt einen Fühler 1 ein, der eine röhrenförmige schützende Umfassung 2 aufweist. Ein Refraktor 3 ist an einem Ende der schützenden Umfassung 2 befestigt. Der Refraktor ist zum Beispiel aus PTFE hergestellt. Ein aus Glas, PTFE oder irgendeinem anderen lichtdurchlässigen Material hergestellter Körper 4 ist auf Refraktor 3 befestigt. Der Körper kann eine spitzte, abgerundete, asphärische oder tropfenförmige Gestalt aufweisen, um keine Turbulenzen um das Ende des Fühlers herum zu verursachen und um seinen Strömungswiderstand zu verringern. Der Brechungsindex zwischen Körper 4 und Wasser ist beinahe null, so dass sehr wenig Licht von dem Körper 4 reflektiert wird und im allgemeinen Partikel direkt vor Fühler 1 beleuchtet werden.A measuring device of a preferred embodiment of the present invention, as shown in Fig. 1, includes a probe 1 having a tubular protective enclosure 2. A refractor 3 is attached to one end of the protective enclosure 2. The refractor is made of, for example, PTFE. A body 4 made of glass, PTFE or any other light-transmitting material is attached to the refractor 3. The body may have a pointed, rounded, aspherical or teardrop shape so as not to cause turbulence around the end of the sensor and to reduce its flow resistance. The refractive index between body 4 and water is almost zero so that very little light is reflected from body 4 and generally particles directly in front of sensor 1 are illuminated.
In der bevorzugten Ausführungsform werden fünf Lichtwellenleitfasern eingesetzt, wobei vier für die Übertragevorrichtungen (Sx, Sy) und eine für die Erfassungsvorrichtung (D&sub0;) parallel gezeichnet und in der schützenden Umfassung 1 eingeschlossen sind. Die Lichtwellenleitfasern sind durch Umfassung 2 gezogen und enden in einer Schicht, die zwischen Refraktor 3 und Körper 4 gebildet ist. Da die Übertragevorrichtungen bzw. deren Lichtwellenleitfasern eine Einheit bilden, habe sie in den Figuren Einfachheit halber das gleiche Bezugszeichen. Wie in Fig. 1-2 gesehen werden kann, sind die Leiter für die Übertragevorrichtungen (Sx, Sy) und Erfassungsvorrichtung D&sub0; bezüglich einander angeordnet, so dass sie ein Kreuz bilden, wie bei Fühler 1 von unten her erkannt wird, die den Leiter für Sensor (D&sub0;) an dem Schnittpunkt des Kreuzes angeordnet aufweist.In the preferred embodiment, five optical fibers are used, four for the transmission devices (Sx, Sy) and one for the detection device (D₀) drawn in parallel and enclosed in the protective enclosure 1. The optical fibers are drawn through enclosure 2 and terminate in a layer formed between refractor 3 and body 4. Since the transmission devices or their optical fibers form a unit, they have the same reference numerals in the figures for simplicity. As can be seen in Fig. 1-2, the conductors for the transmission devices (Sx, Sy) and detection device D₀ are arranged with respect to each other so that they form a cross, as can be seen from below in sensor 1, which has the conductor for sensor (D₀) arranged at the intersection of the cross.
Die gegenüberliegenden Enden von Übertragevorrichtungen (Sx, Sy) sind mit vier lichtemittierenden Dioden verbunden. Die Licht-emittierenden Dioden sind in solch einer Weise ausgewählt bzw. ausgelöst, dass die mit Sx, Sy Übertragevorrichtungen verbundenen Dioden mit der gleichen Wellenlänge zur selben Zeit abstrahlen. Die Wellenlängen sind ausgewählt, um innerhalb der Wellenlängen von infrarotem und ultraviolettem Licht zu sein, d.h. die lichtemittierenden Dioden strahlen Licht in Paaren in zwei "Ebenen" ab. Zum Beispiel können die licht-emittierenden Dioden, die mit Sx verbunden sind, bei einer spezifischen Wellenlänge arbeiten, die verschieden von den licht-emittierenden Dioden ist, die mit Sy Übertragevorrichtung verbunden sind, und bezüglich deren um 90 Grad gedreht sind. Andere Winkelbeziehungen können jedoch ebenso verwendet werden. Fig. 2 zeigt, wie die Impulse von jedem der Paare eine Strahlungskeule bilden, um die Partikel zu beleuchten, die sich vor Fühler 1 befinden. Die lichtemittierenden Dioden sind mit einem Impulsgenerator eines bekannten Typs verbunden und ausgelöst, so dass die zwei Paare der Dioden abwechselnd Lichtimpulse in kurzen Intervallen abstrahlen.The opposite ends of transmitters (Sx, Sy) are connected to four light-emitting diodes. The light-emitting diodes are selected in such a way that the diodes connected to Sx, Sy transmitters emit at the same wavelength at the same time. The wavelengths are selected to be within the wavelengths of infrared and ultraviolet light, i.e. the light-emitting diodes emit light in pairs in two "planes". For example, the light-emitting diodes connected to Sx may operate at a specific wavelength that is different from the light-emitting diodes connected to Sy transmitter and rotated 90 degrees with respect to them. However, other angular relationships may also be used. Fig. 2 shows how the pulses from each of the pairs form a beam of radiation to illuminate the particles located in front of sensor 1. The light emitting diodes are connected to a pulse generator of a known type and triggered so that the two pairs of diodes alternately emit pulses of light at short intervals.
Der Betrieb ist wie folgt. Eine Taktfrequenz, mit der die gesamte Elektronik der Meßvorrichtung arbeitet, löst Dioden Sx über den Impulsgenerator aus, so dass die Dioden einen Lichtimpuls über die zwei Lichtwellenleitfasern Sx in der Größenordnung von 50-100 us bei einer Wellenlänge λX abstrahlen. Die Lichtimpulse beleuchten die Feststoffe in der Flüssigkeit, die vor dem Fühler angeordnet sind, mit dieser Wellenlänge. Einen sehr kurzen Moment später werden die Dioden Sy ausgelöst, so dass sie einen Lichtimpuls bei einer Wellenlänge λy (≠λx) über die zwei Lichtwellenleitfasern Sy abstrahlen, so dass die Festkörper, die vor dem Fühler angeordnet sind; mit dieser Wellenlänge bestrahlt werden. Die Partikel in der Flüssigkeit werden daher mit kurzen aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen mit zwei verschiedenen Wellenlängen und vorzugsweise um 90 Grad gedreht bestrahlt, eine Art von Kreuzmodulation.The operation is as follows. A clock frequency at which all the electronics of the measuring device operate triggers diodes Sx via the pulse generator so that the diodes emit a light pulse via the two optical fibers Sx of the order of 50-100 us at a wavelength λX. The light pulses illuminate the solids in the liquid arranged in front of the sensor at this wavelength. A very short moment later, the diodes Sy are triggered so that they emit a light pulse at a wavelength λy (≠λx) via the two optical fibers Sy so that the solids arranged in front of the sensor are irradiated at this wavelength. The particles in the liquid are therefore irradiated with short successive light pulses at two different wavelengths and preferably rotated by 90 degrees, a type of cross modulation.
Fig. 4 zeigt den spektralen Kontrast, der daher aufgrund der spektralen Differenz der zwei typisch gewählten Wellenlängen auftritt, wenn die Wellenlänge λx mit einer höheren Frequenz mehr auf der spektralen Skala verschoben ist als λy mit einer niedrigeren Frequenz. Die Summe des spektralen Kontrasts ist die Differenz der Verschiebung der zwei Wellenlängen, die wie folgt beschrieben werden kann, so dass λz = Δλx - Δλy.Fig. 4 shows the spectral contrast that therefore occurs due to the spectral difference of the two typically chosen wavelengths when the wavelength λx with a higher frequency is shifted more on the spectral scale than λy with a lower frequency. The sum of the spectral contrast is the difference of the shift of the two wavelengths, which can be described as follows, such that λz = Δλx - Δλy.
Erfassungsvorrichtung D&sub0;, die vorzugsweise in der Mitte des λ-Kreuzes angeordnet ist, registriert diese Differenz oder Kontrast. Der Meßwert ist die Summe des Gesamtkontrasts, der durch die. Erfassungsvorrichtung erfasst wird. Die spektrale Differenz der zwei Wellenlängen, die irrelevante Signale, d.h. Rauschen, einschließt, ist in diesem Meßwert eingeschlossen. Da das Rauschen jedoch mit beiden Impulsantworten verbunden ist und dies unabhängig von den Wellenlängen ist, d.h. das gleiche für beide der Impulsantworten, kann das Rauschen von dem Signal der Erfassungsvorrichtung durch die in Fig. 3 gezeigte Anordnung entfernt werden, die eine Erfassungsvorrichtung und einen Differentiator von einem bekannten Typ in Synchronisation mit abstrahlenden Impulsen darstellt, so dass nur der spektrale Kontrast verbleibt. Dieser verbleibende spektrale Kontrast ist proportional zu der Masse der in der gemessenen Flüssigkeit enthaltenen Festkörper. Die Abtastungen von Signalen werden in dieser Art durch die Abfolgen von einfallenden Impulsen von spektralen Kontrasten erhalten.Detection device D�0, preferably located in the middle of the λ-cross, registers this difference or contrast. The measured value is the sum of the total contrast detected by the detection device. The spectral difference of the two wavelengths, which includes irrelevant signals, i.e. noise, is included in this measured value. However, since the noise is associated with both impulse responses and this is independent of the wavelengths, i.e. the same for both of the impulse responses, the noise can be removed from the signal of the detection device by the arrangement shown in Fig. 3, which represents a detection device and a differentiator of a known type in synchronization with radiating pulses, so that only the spectral contrast remains. This remaining spectral contrast is proportional to the mass of the solids contained in the liquid being measured. The samples of signals are obtained in this way by the sequences of incident pulses of spectral contrasts.
Fig. 5 zeigt eine wechselseitige Zeitabhängigkeit von Impulsen in einer graphischen Darstellung für die zwei Übertragevorrichtungs-Paare und die Antworten von der Erfassungsvorrichtung als Ergebnis des von den Festkörpern in der Flüssigkeit reflektierten Lichts. Eine gewisse Kompensation von Lumineszenz und Sättigung kann durch Ausdehnen von einem der Lichtimpulse in der Zeit und entsprechendes verkürzen des anderen erreicht werden. Das Meßsystem der vorliegenden Erfindung ist nicht auf nur zwei Paare von Übertragevorrichtungen und zwei Wellenlängen begrenzt, sondern kann mit mehreren Paaren von Abstrahl-Vorrichtungen erweitert werden, die bei spezifischen Wellenlängenübertragen, die sich von den Wellenlängen unterscheiden, die von anderen Übertragevorrichtungen übertragen werden. Zum Beispiel kann die Menge an Feststoffen, die kleiner als eine bestimmte Größe sind, durch Analysieren der spektralen Kontraste gemessen werden. Das Meßsystem hat ebenso den Vorteil, dass es einen großen Meßbereich von einigen Teilen pro Million bis zu Messen des Feuchtigkeitsgehaltes mit der selben Vorrichtung abdeckt, die im wesentlichen die Meß- und Anwendungsbereiche im Vergleich zu den Vorrichtungen vom Stand der Technik erweitert, die alle innerhalb eines bestimmten Meßbereiches und für eine spezifische Anwendung arbeiten. Das Meßprinzip hat ebenfalls den Vorteil, dass das von der Erfassungsvorrichtung erfaßte Signal sofort digital ist, was große meßtechnische Vorteile liefert, und dass das Ausgangssignal nach Filtern linear ist.Fig. 5 shows a time dependence of pulses in a graphical representation for the two pairs of transmitters and the responses from the detector as a result of the light reflected from the solids in the liquid. Some compensation of luminescence and saturation can be achieved by extending one of the light pulses in time and correspondingly shortening the other. The measurement system of the present invention is not limited to only two pairs of transmitters and two wavelengths, but can be extended with multiple pairs of emitters transmitting at specific wavelengths that different from the wavelengths transmitted by other transmitters. For example, the amount of solids smaller than a certain size can be measured by analyzing the spectral contrasts. The measuring system also has the advantage of covering a wide measuring range from a few parts per million to measuring moisture content with the same device, which essentially extends the measuring and application areas compared to the prior art devices, which all operate within a specific measuring range and for a specific application. The measuring principle also has the advantage that the signal acquired by the acquisition device is immediately digital, which provides great metrological advantages, and that the output signal after filtering is linear.
Es muß von dem vorstehenden verstanden werden, dass das beschriebene Meßsystem nicht auf Flüssigkeiten beschränkt ist, sondern ebenfalls auf andere Medien angewendet werden könnte.It must be understood from the above that the measuring system described is not limited to liquids, but could also be applied to other media.
Es ist klar, dass die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung und die bevorzugte in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsform beschränkt angesehen werden darf, sondern verschiedenen Modifikationen innerhalb dem unterworfen werden kann, das in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.It is clear that the invention should not be considered as limited by the above description and the preferred embodiment shown in the drawings, but may be subject to various modifications within the scope defined in the appended claims.
I λ-KreuzI λ-cross
II EmpfängerII Receiver
III StrahlungskeulenIII Radiation lobes
IV InfrarotIV Infrared
V Infrarot-ModulatorV Infrared modulator
VI MeßzelleVI Measuring cell
VII -Objekt, -Kontrast, -RauschenVII -Object, -Contrast, -Noise
VIII PhotodetektorVIII Photodetector
IX VerstärkerIX Amplifier
X System-SynchronisationX System synchronization
XI ErfassungsvorrichtungXI Detection device
XII S/R DatendemodulatorXII S/R data demodulator
XIII digitaler FilterXIII digital filter
XIV DifferentiatorXIV Differentiator
XV relative spektrale Emission bezüglich der WellenlängeXV relative spectral emission with respect to wavelength
XVI WellenlängeXVI Wavelength
XVII SensorphaseXVII Sensor phase
XVIII ReferenzphaseXVIII Reference phase
XIX AbsorptionXIX Absorption
XX VerlustXX loss
XXI AbstrahlungXXI Radiation
XXII. AbsorptionXXII. Absorption
XXIII ModulatorXXIII Modulator
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